基于乳化剂复配技术的水泥乳化沥青混合料性能室内试验研究

肖晶晶，李芝涵，沙爱民，蒋 玮，王振军

(1．长安大学 建筑工程学院，陕西 西安 710061；2．长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064；3．长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安710061)



基于乳化剂复配技术的水泥乳化沥青混合料性能室内试验研究

肖晶晶1，李芝涵1，沙爱民2，蒋 玮2，王振军3

(1．长安大学 建筑工程学院，陕西 西安 710061；2．长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064；3．长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安710061)

基于混合料室内试验和SEM等微细观分析手段，研究不同破乳速度的乳化剂复配方案对水泥乳化沥青混合料的施工性能与路用性能的影响规律，揭示混合料强度形成机制。研究结果表明：乳化沥青破乳速度过快或过慢都不利于混合料的路用性能；采用MQK-1M和SBT两种成品乳化剂，按照1.0%SBT+0.8% MQK-1M进行复配，制备的水泥乳化沥青混合料具有良好的施工性能、力学性能和路用性能，可以用作于路面中、下面层和柔性基层材料。

道路工程；乳化沥青；混合料；复配；性能

0 引 言

水泥乳化沥青混合料综合了热力学上互不相容的有机结合料乳化沥青和无机结合料水泥的胶结特性，与石料拌和后，乳化沥青聚并破乳形成黏结力，水泥水化结晶固化并放热，水泥水化产物与沥青膜交织缠绕，形成一种新的复合路面材料[1]。水泥在混合料中发生了复杂的物理化学变化，水泥促进了乳液的破乳，提高了混合料的早期强度，且水化产物填充了乳液中水分蒸发留下的空隙，使混合料更加密实，也相应提高了混凝土的稳定性和耐久性[2-3]。

国内外针对水泥改善乳化沥青混合料性能方面的研究相对较多[4-8]。乳化沥青作为结合料是混合料材料组成中的关键部分，它的破乳、凝结速度与性能都直接关系到混合料的力学特性和路用性能。破乳速度过快，不能保证混合料的拌和时间，从而导致施工无法顺利进行；凝结速度过慢，又不利于混合料早期强度的形成和开放交通的需要。谭庆华[9]提出使用慢凝甚至更加稳定的乳化沥青拌制密级配混合料，并选择了慢裂慢凝型的阳离子沥青乳化剂SBT制备乳化沥青，得到的混合料早期强度偏低，不满足快速开放交通的要求。毛宇，等[10]从稳定性和分散性需求出发，研究了同类型乳化剂复配技术。

笔者针对水泥乳化沥青混合料的施工性能与路用性能的需要，对不同种类的乳化剂进行复配，基于室内性能试验和微细观分析手段研究水泥乳化沥青混合料的性能。为保证乳化沥青能够在集料表面均匀分散，顺利施工，混合料必须具备足够的拌和时间；同时，由于通车或者工期的需要，要求混合料快速破乳并形成早期强度，即乳化沥青的破乳速度或可拌和时间与早期强度存在着矛盾。为此，选取不同破乳速度的乳化剂进行试验分析，对采用不同复配方案制备的乳化沥青性能进行试验检测，综合乳液性能、混合料施工性能及路用性能这3方面的比较，确定良好施工性能和路用性能的乳化剂复配方案。

1 试验原材料

1.1 基质沥青

采用SK-90基质沥青通过小型胶体磨制备乳化沥青，基质沥青的技术指标如表1。

表1 SK-90沥青的主要技术指标

1.2 乳化剂

选用MQK-1M和SBT两种不同破乳速度的阳离子沥青乳化剂制备乳化沥青。

1.3 集 料

集料为玄武岩，其中：砂当量，81.2%；坚固性，7%；磨光值，46.02(BPN)；洛杉矶磨耗损失，22.2%；压碎值，11.9%，其余指标亦符合规范要求。混合料试验所用矿料级配为规范中值。

1.4 矿 粉

采用石灰岩矿粉，指标见表2。

表2 矿粉指标检测结果

1.5 水 泥

采用普通硅酸盐水泥，主要技术指标见表3。

表3 水泥的物理及力学性能

2 试验材料配制

2.1 乳化沥青配制

室内试验过程中，1.8%的SBT能够制得性能良好的乳化沥青，该乳化沥青与集料具有很长的拌和时间，马歇尔试件成型0.5 h后，表面仍为灰褐色，未见明显破乳，早期强度较低，难以满足快速开放交通的要求。MQK-1M比SBT破乳速度快，常用于微表处用乳化沥青的制备，而水泥乳化沥青混合料作为路面结构层，需要碾压，采用乳化剂MQK-1M的破乳速度又显得过快，可拌和时间太短。由于MQK-1M和SBT之间尚没有合适的成品乳化剂能够同时提供适宜的拌和时间和较快的凝结速度，笔者将两种乳化剂进行复配，得到5种乳化沥青，又称乳液(如表4)，乳液性能指标如表5。由表5可见，这5种乳化沥青均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》关于道路拌和用乳化沥青技术要求。

表4 乳化剂的复配方案

表5 5种乳化沥青的性能检验

(续表5)

检测项目乳液A乳液B乳液C乳液D乳液E技术指标与粗、细粒式集料拌和试验均匀均匀均匀均匀均匀均匀常温贮存稳定性/%0．40．30．30．50．6≤1%(1d)3．73．52．92．74．2≤5%(5d)

2.2 水泥乳化沥青混合料的拌制

通过可拌和时间和不可施工时间评价乳化沥青的可施工性能。合理的可拌和时间是水泥乳化沥青混合料获得良好施工性能的前提。5种乳化沥青与集料的可拌和时间及不可施工时间如图1。

图1 乳化沥青与集料的拌和试验(24 ℃)

乳化沥青混合料配料如下：2.36～4.75 mm石屑250 g，0.15～0.6 mm细砂180 g，矿粉15 g，外加水20 g，水泥掺量3%，分别掺加乳液A～乳液E8%进行拌和试验，依次得到水泥乳化沥青混合料A～水泥乳化沥青混合料E。

根据乳化沥青与集料的拌和试验结果可见：随着快凝型沥青乳化剂MQK-1M在配方中所占比例的增大，乳化沥青与集料的可拌和时间明显缩短。不可施工时间与可拌和时间具有良好的相关性，可拌和时间短的乳液，其不可施工时间也较短。在试验过程中，乳液E破乳最快，拌和3 min混合料即出现破乳现象；继续拌和，至7 min时，混合料即开始抱团结块，不适合用于水泥乳化沥青混合料拌和。因此后续试验仅对水泥乳化沥青混合料A～水泥乳化沥青混合料D进行研究。

4种水泥乳化沥青混合料在拌和过程中，表现出来的干湿状态相同，但是击实过程中，水泥乳化沥青混合料D有水慢慢从试模底部渗出，换面击实时有小的水珠飞溅出来，而其他3种水泥乳化沥青混合料则没有这些现象，说明水泥乳化沥青混合料D在击实甚至拌和时已开始破乳，水分析出。为进一步确认，将这 3 种水泥乳化沥青混合料击实后立即脱模并置于干净白纸上，30 min后可见：水泥乳化沥青混合料D有明显的水分析出，且试件颜色逐渐变黑，表面已显得比较干燥，用面巾纸轻压试件表面，纸巾很干净，未见褐色斑点；而水泥乳化沥青混合料A仍保持灰褐色，表面较湿，纸上水渍较少，面巾纸轻压试件表面，纸巾上有褐色斑点，见图2。这也表明，乳液D与集料拌和时具有更快的破乳凝结速度，而乳液A则拥有更充裕的拌和时间。

图2 脱模后放置30 min的马歇尔试件

3 水泥乳化沥青混合料性能测定

水泥乳化沥青混合料的强度形成机理与热拌沥青混合料存在较大差异[11-12]。对水泥乳化沥青混合料A～水泥乳化沥青混合料D分别养生7，28 d，进行试验分析。

3.1 劈裂试验

测试温度为-10 ℃，加载速率为1 mm/min。劈裂试验试验结果如图3。

图3 复配乳化沥青混合料劈裂强度

试验结果表明：水泥乳化沥青混合料C具有较高的劈裂强度，表明该混合料低温性能相对较好。

3.2 马歇尔试验

马歇尔稳定度试验结果如图4。

图4 复配乳化沥青混合料30 min稳定度

由图4可以看出：①水泥乳化沥青混合料C具有较高马歇尔稳定度。乳化沥青混合料在合适的时间段内没有及时破乳，后期无论如何养生，养生多长时间都很难完全破乳[13]；②水泥乳化沥青混合料C的马歇尔试件表面有蜂窝状小孔〔图5(a)〕，这些小孔是乳化沥青破乳后，水分蒸发以及气泡破灭留下的孔洞，这些孔洞为混合料内部乳液破乳水分蒸发开通通道，为混合料强度的持续增长提供了条件；③水泥乳化沥青混合料A表面相对光滑〔图5(b)〕，乳液破乳速度慢，当试件外表面与空气直接接触的部分破乳后，混合料内部的乳液仍不能破乳，很快外表面自身破乳、水分蒸发留下的孔洞逐渐封闭，混合料内部的乳液就难及时脱水破乳，不利于整体强度形成。

图5 混合料马歇尔试件表面

3.3 飞散性能试验

采用飞散试验评价水泥乳化沥青混合料的整体黏结强度。测试时，将马歇尔试件放置在洛杉矶试验机中旋转300次，用试件散落材料的质量百分率表示飞散损失。得到试验结果如图6。

图6 复配乳化沥青混合料飞散损失

由图6可见，与普通热拌沥青混合料相比，水泥乳化沥青混合料的飞散损失相对较大，一方面是由于水泥乳化沥青混合料的空隙率较相同级配的热拌沥青混合料更大，冲击力的作用下较易松散；另一方面在于乳化沥青混合料中沥青的存在状态及其与集料的相互作用方式与普通沥青混合料中存在差异，使得其在试验状态下质量更容易发生损失。

4 试验结果分析

4.1 黏结性能分析

采用LW200-48LFT高性能荧光显微镜对乳化沥青进行荧光显微分析，如图7。乳化沥青破乳后的残留物是由无数的圆形沥青微珠紧密有序的连结在一起，使得乳化沥青难以像热沥青那样在整个集料表面自由的流淌、铺展、润湿，形成均匀致密的沥青膜，而是通过拌和分散于整个矿质混合料中，破乳后化作无数的沥青小微滴。在压实功的作用下，以类似于点黏结的方式将大小集料连结起来(图8)，因而黏结力相对较小。

图7 乳化沥青的荧光显微图像(400×)

图8 乳化沥青混合料中沥青分散状态

这4种复配方案中，水泥乳化沥青混合料C飞散损失相对较小，养生期 28 d的飞散损失约为15%。水泥乳化沥青混合料D飞散损失最大，其原因在于其乳液破乳凝结速度太快，在混合料拌和时已经开始破乳，击实过程中，沥青和石料各自分别形成结团，乳化沥青难以在骨料表面形成均匀的整体沥青薄膜，结团与结团之间黏结力弱，最终导致混合料整体空隙率大、黏聚力低、强度不足。

借助抗剪试验设备，将性能差异最大的水泥乳化沥青混合料C与水泥乳化沥青混合料D的马歇尔试件剪开，得到马歇尔试件内部状态，如图9。

图9 剪切后马歇尔试件内部状况

由图9可见，水泥乳化沥青混合料C未见裸露的石料，破裂面呈黑色，说明破裂位置集中在结合料内部，混合料C中油石界面黏结力良好。而水泥乳化沥青混合料D则呈现出较多的花白料，不少石料明显裸露在外，沥青与集料的裹覆情况较差，油石界面黏结力弱，混合料整体强度低。这也证明了乳液D破乳凝结速度太快，乳液未能完全裹覆并黏附集料。

水泥乳化沥青混合料A和水泥乳化沥青混合料B由于没有及时破乳，水分未能及时脱出，油石界面存在水分，结合料的黏度较低，难以对集料形成强握裹力，混合料整体的黏附性能差，因而抗飞散损失较大。

4.2 综合性能分析

由试验结果可知，水泥乳化沥青混合料C性能相对较好，其养生28 d后的高温、低温、水稳定性及力学特性见表6。

表6 复配乳化剂C制备的混合料综合性能

从表6可以看出，在保证良好施工性能的前提下，水泥乳化沥青混合料能够达到较高的路用性能。水泥乳化沥青混合料C解决了混合料拌和时间和初期成型强度之间的矛盾，在保证拌和时间的前提下，混合料能够提供理想的初期强度，满足路用性能要求。从混合料界面黏结处的SEM图像(图10)，可以看到细小的纤维，长约0.5～2 μm，在尖端上有略微分叉现象，这是水泥水化产生的C-S-H凝胶，说明部分水泥水化产物能够从沥青膜中生长出来，并与周围的自由沥青相互交织，形成局部范围的立体空间网络结构。这些水化产物降低了水泥乳化沥青混合料的黏性，使其更趋于弹性材料；同时水化产物的生成也改善了混合料的温度敏感性和水稳定性能，提高了混合料的高温稳定性和力学强度。

图10 水泥乳化沥青胶浆的SEM图像(5000×)

5 结 论

1)乳化沥青的破乳和凝结速度除了对水泥乳化沥青混合料的可拌和时间和不可施工时间有直接影响外，还对其力学性能和路用性能影响显著。破乳速度过快或过慢都不利于混合料的路用性能改善。

2)采用MQK-1M和SBT两种成品乳化剂，按照1.0%SBT+0.8% MQK-1M进行复配，制备得到了具有良好的施工性能和路用性能的水泥乳化沥青混合料。复配后的水泥乳化沥青混合料在保证良好施工性能的前提下，能够达到较高的路用性能，这是由于混合料中水泥水化产物与周围的自由沥青相互交织，形成局部范围的立体空间网络结构，改善了混合料力学性能、温度敏感性和水稳定性。

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Laboratory Test Study of Cement Emulsified-Asphalt Mixture Performance Based on Emulsifier Complex Technology

Xiao Jingjing1, Li Zhihan1, Sha Aimin2, Jiang Wei2, Wang Zhenjun3

(1. School of Civil Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061，Shaanxi, China; 2. Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064,Shaanxi, China;3. School of Materials Science and Engineering,Chang’an University, Xi’an 710061, Shaanxi, China)

Through laboratory test and microscopic concept analysis means such as scanning electron microscope, the demulsification speed’s influence law on cement emulsified-asphalt mixture’s construction performance and pavement performance of different emulsifier complex scheme were studied to reveal the mixture’s strength formation mechanism. The results show too fast or too slow demulsification speed is not conducive to mixture’s pavement performance. The two different emulsifiers MQK-1M and SBT were remixed with the scheme of 0.8%+1.0% to produce emulsion. And the mixture which used this emulsion possessed good construction performance, mechanical performance and pavement performance. And this mixture can be used for the pavement’s mid-layer, lower layer and flexible base.

road engineering; asphalt emulsion; mixture; emulsifier complex; performance

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.11

2014-01-18；

2014-03-01

国家自然科学基金项目(51208049)；陕西省自然科学基础研究计划项目(2013JQ7013)；陕西省青年科技新星资助项目(2015KJXX-23)；中国博士后科学基金项目(294T70898)

肖晶晶(1982—)，女，湖北武汉人，讲师，博士，主要从事路面材料与结构方面的研究。E-mail: xiaojj029@sina.com。

U414

A

1674-0696(2015)03-052-05